Silicij-oksid-nitrid-oksid-silicij ali SONOS je tip elektronskega pomnilnika, ki je po strukturi podoben bliskovnim pomnilnikom, vendar v primerjavi z njim prepolovi potrebo po energiji in za nekaj tisočkrat izboljša vzdržljivost pomnilniške celice. »Plavajoča vrata« niso iz silicija kot pri bliskovnem pomnilniku, temveč iz silicijevega nitrida, ki ima enotnejšo molekularno strukturo in bolje »zadržuje« elektrone. Zaradi tega je izolacijska plast tanjša, za zapisovanje oziroma brisanje pa je dovolj napetost med petimi in osmimi volti.

Ideja pomnilnika SONOS izvira iz leta 1960, prvi tak pomnilnik, ki jih uporabljajo za vojaške in vesoljske namene, pa so izdelali deset let pozneje. Za splošno uporabnost pa je tehnologija še vedno pred izzivoma, kako izdelati dovolj majhne pomnilniške celice in kako narediti proizvodnjo stroškovno učinkovito.

FeRAM – »preklapljanje« molekul

Pri tem tipu elektronskega pomnilnika se število zapisov v pomnilniško celico, preden se ta »pokvari«, meri v trilijonih, s tehnologiji pa se ukvarjajo podjetja Ramtron, Fujitsu in Texas Instruments. V primerjavi z bliskovnim pomnilnikom in pomnilnikom SONOS se zapis podatka spreminja s »premikanjem« atomov. Prototipi pomnilnika obstajajo že od osemdesetih let prejšnjega stoletja, stopnja pomanjševanja pa se je ustavila pri 130 nanometrih. Ker je strošek na pomnilniško celico še vedno visok, ta tip pomnilnike uporabljajo v aplikacijah, kjer cena ni problem, na primer za nadzorno elektroniko varnostnih zračnih blazin avtomobila ali v medicinskih napravah. Glavni prednosti sta nizka napetost, predvsem v procesu zapisovanja, kar pomeni, da pomnilnik odlikuje energetska učinkovitost in visoka hitrost zapisovanja (spreminjanja stanja). Celica je sposobna svoje stanje spremeniti v 150 ns, kar je občutna prednost pred celico bliskovnega pomnilnika, ki je to sposobna storiti v 10 ms.

Pomnilnik FeRam je oblikovan tako, da merilni tok (branje) teče skozi feroelektrično snov, v kateri lahko zapisovalni tok »premika« atome gor oziroma dol, s čimer se spreminja njeno električno prevodnost. Zapis poteka prek električnega polja na ploščah kondenzatorja, ki prisili dipole v izolatorju, da se uredijo v smeri polja (gor ali dol), kar povzroča majhne premike atomov in spremembo distribucije polja v kristalu. Ko polja ni več, orientacija dipolov ostane, kar pomeni, da se podatki ohranijo tudi, ko na pomnilniku ni električnega toka. Pri branju pa želi tranzistor umetno spremeniti stanje celice, na primer v stanje nič. Če je celica že v tem stanju, se ne zgodi nič, če pa je v stanju ena, pa se sprememba orientacije zazna kot kratek električni impulz na izhodnih povezavah. Ker se v tem primeru spremeni prvotni zapis v celici (branje je destruktivni proces), mora elektronsko vezje v takem primeru ponoviti originalni zapis podatka.

MRAM – magnet za vedno shrani podatke

Magnetno odporen pomnilnik deluje podobno kot FeRAM, oba pa sta oblikovana za hitro delovanje in dolg vek trajanja. Ideja zanj izhaja iz magnetnih pomnilnikov v petdesetih letih prejšnjega stoletja, le da je »princip« prenesen v mikroskopski svet integriranih vezji. Podatek pomeni magnetna polariteta, ki jo je moč hitro spremeniti iz enega stanja v drugo in se ohrani, tudi če na pomnilniku ni toka, hkrati pa ta proces ne »uničuje« pomnilniške celice. Lahko bi dejali, da je ta pomnilnik večen.

Zapis podatka v celici ne pomeni električno, temveč magnetno polje. Celico, magnetni element, gradijo dve »plošči« iz feromagnetne snovi in plast izolatorja med njima. Ena od plošč je stalno namagnetena z določeno polariteto, polariteta druge pa je odvisna od polja, »pripeljanega« nanjo. Ko spremenimo polariteto plošče, ta ostane tudi, ko pomnilnik ni priključen na električni tok. Zapis je moč izvesti na več načinov. Najpreprostejši je prek dveh »zapisovalnih žic« pod celico, ki sta med seboj pod pravim kotom. Tok, ki teče po njih, inducira magnetno polje na točki stika žic, ta pa se nato »prenese« na »zapisovalno« ploščo – tisto, katere polariteta ni stalna.

Branje je izvedeno prek merjenja električne upornosti celice. Tok, ki ga žalimo »pripeljati« prek celice do ozemljitve, je na svoji poti bolj ali manj oviran, saj zaradi tako imenovanega magnetnega tunelskega efekta, magnetna orientacija obeh plošč vpliva na električni upor celice. Tipično logično ničlo pomeni primer, ko sta obe plošči enako orientirani, enico pa, ko sta polariteti nasprotni.

Tudi pomnilnike tega tipa že izdelujejo, vendar le za posebne namene, kot so vesoljski programi. Ker pa se z njim ukvarja nekaj večjih podjetij, med katerimi so najbolj poznana Toshiba, IBM in NEC, obstaja upanje, da bodo na voljo že v nekaj letih.

Fazno spremenjeni pomnilnik

Večina naslednikov bliskovnega pomnilnika izkorišča električne ali magnetne lastnosti za hranjenje podatka, ne pa tudi fazno spremenjen pomnilnik. Ta fizično spremeni snov, natančneje snovi, ki so lahko v dveh stanjih – v kristalnem, kjer so atomu urejeni in snov dobro prevaja električni tok, ter v neurejenem, amorfnem, ki elektrike ne prevaja.

Ko smo leta 2008 prvič pisali o tem pomnilniku (http://tinyurl.com/7wsz6u7), smo optimistično napovedali, da bodo kmalu na trgu. In udarili mimo. Očitno je bilo s postopkom zapisovanja − ki vključuje dolgo lasersko obsevanje (dolg impulz) snovi, ki to popolnoma stopi in jo spremeni v neurejeno stanje, in krajši impulz, ki segreje snov z nižjo temperaturo, ravno tolikšno, da se atomi v snovi uredijo − še veliko praktičnih težav. Kaj je zapisano v celici, enica ali ničla, izvemo z merjenjem njene električne upornosti.

In kje smo danes? IBM-ovi raziskovalci so dosegli hitrost zapisa v celico, ki je stokrat hitrejša od hitrosti zapisa bliskovnega pomnilnika. Samsung, Hynic in Intel pa že imajo 64 MB pomnilniške čipe, narejene s to tehnologijo, zato utegne biti tehnologija fazno spremenjenega pomnilnika prva izmed vseh, ki bo komercialno na voljo.

ReRAM in CeRAM – stavi na pomanjševanje

Veliko predlaganih tehnologij pomnilnikov se prej ali slej srečajo z mejo, pod katero pomanjševanje ni več mogoče. »Uporni pomnilnik« (Resistive RAM) in pomnilnik s »prevodnim premoščanjem (Conductive Bridging RAM) ima veliko manjšo strukturo, velikosti nekaj ionov. Tehnologiji sta si med seboj podobni, največja razlika je v snoveh, ki ju uporabljata.

V pomnilniku ReRAM je uporabljena dielektrična snov, ki v osnovi deluje kot izolator, ko pa nanjo pripeljejo visoko napetost, v njej nastane kanal, ki prevaja električni tok. Če snov blokira merilni (bralni) tok med dvema elektrodama, to pomeni, da celica vsebuje logično ničlo, če pa obstaja kanal, po katerem lahko tok steče, logično enico. Kanal zruši napetost z nasprotnim predznakom. Pomnilnik CBRAM deluje podobno, le da ena elektroda vsebuje elektrokemično aktivno snov, kot je srebro, druga pa neaktivno, kot je volfram. Med elektrodama je elektrolit, ki je hkrati tudi izolator. Tudi v tem primeru celica vsebuje logično ničlo, če merilni tok ne »pride« skozi njo, kar pomeni, da je njena električna upornost visoka. Visoka napetost na elektrodah pa povzroči, da se prosti ioni v elektrolitu uredijo v nanokanal, upornost celice se zmanjša in merilno tok steče skozi njo. Prevodni kanal podre napetost z nasprotnim predznakom.

Največje prednosti obeh tehnologij v primerjavi z bliskovnimi pomnilniki so višja hitrost delovanja, daljša življenjska doba pomnilnika in veliko prostora za pomanjševanje. Stan Williams, znanstvenik pri HP-ju, je pred kratkim napovedal, da bo prvi pomnilnik ReRAM v obliki memristorja na voljo leta 2013.

ŠE BOLJ NORE IDEJE

Nanopomnilnik (Nano-RAM) se zgleduje po načelu mehaničnih stikal, saj izkorišča dejstvo, da električna napetost upogne nanocevko v enega od dveh možnih položajev, pri čemer ima v vsakem drugačno električno upornost. Tehnologija teoretično omogoča veliko gostoto zapisa podatkov, že zaradi majhnosti nanocevk, vendar je podjetje Nantero naredilo le prototip.

Na obzorju pa sta še dve tehnologiji, ki pa načelo delovanja trdih diskov pomanjšata v nanosvet. Pomnilnik Racetrack (»dirkališče«) tako kot trdi disk podatke shranjuje v zaporedne celice z različno magnetno orientacijo, vendar so celice v nanožici, skozi katero teče rok, bralno-pisalna glava pa se giblje vzporedno z njo. Velika teoretična gostota zapisa je posledica tega, da lahko veliko nanožic postavijo vzporedno eno z drugo.

Veliko gostoto zaradi možnosti vzporednega zapisa podatkov na dani površini obljublja tudi pomnilnik Millipede (»stonoge«). Biti podatkov so zapisani v obstoječi ali neobstoječi vdolbinici na pomnilniški ploščici. Vdolbino naredi močno segreta konica tipala, ki pritisne ne površino snovi, odstrani pa jo segrevanje mesta, saj površinska napetost snovi povzroči, da se spet zravna. Branje poteka tako, da tipalo preveri, ali je pod njo vdolbinica ali je ni. Preprosto povedano, kot luknjičaste kartonske kartice iz zgodovine računalništva, le da v mikroskopskem svetu.

Vse tehnologije pomnilnikov, ki jih omenjajo za naslednika bliskovnega pomnilnika, obljubljajo predvsem hitrost in obstojnost. Kar ni čudno, saj je bil stari dobri »flash« bolj kot ne potisnjen v pogone SSD, ker nič boljšega (in cenejšega) ni obstajalo, proizvajalci pa so vedeli, da ljudje želijo hitrejše pomnilnike od trdih diskov. Če pa so potencialne tehnologije znane, to še ne pove dosti, saj je trenutno le HP napovedal, kdaj bo začel prodajati pomnilnike ReRAM. Za druge pa teh napovedi ni. Morda pa bomo čez tri leta spet pisali o teh tehnologijah kot o potencialnih »ubijalkah« pomnilnikov FLash, kot smo to počeli leta 2008. Danes je edina razlika v tem, da takrat pogonov SSD še ni bilo (oziroma so se šele pojavljali), pa tudi USB-ključki in pomnilniki mobilnih naprav so bili neprimerno manj zmogljivi. Ker tehnologije bliskovnega pomnilnika ni mogoče več veliko izboljševati, je morda res že čas za nekaj popolnoma novega.